Пленка, укрощающая плазму

Ученые Национального исследовательского ядерного университета МИФИ представили разработку, способную изменить облик космической отрасли и радиационных технологий. Исследователи научились не подавлять, а использовать один из самых неприятных побочных эффектов в плазменных установках — вторично-эмиссионные неустойчивости*. Результатом стал концепт принципиально нового плазменного двигателя и генератора сверхмощных импульсов на базе автоколебательного вторично-эмиссионного разряда, которому не нужны сложные внешние системы питания.

* Вторично-эмиссионные неустойчивости — это явление в физике плазмы, при котором возникают самоподдерживающиеся колебания тока и напряжения из-за взаимодействия плазмы с поверхностью электрода, обладающего высокой вторичной электронной эмиссией.

Заведующий кафедрой физики плазмы Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ Юрий Гаспарян

Пресс-служба МИФИ

Использовать вредные эффекты

В любой плазменной установке — от промышленных магнетронных распылительных экспериментальных термоядерных реакторов до ионных двигателей — на границе между плазмой и стенкой камеры происходит обмен зарядами. Если электрод обладает высокой вторичной эмиссией, этот процесс может становиться неустойчивым. Возникают колебания тока и напряжения, которые традиционно считаются опасными: они приводят к срывам плазмы, выходу из строя блоков питания и разрушению оборудования. 

Коллектив ученых НИЯУ МИФИ обнаружил, что при грамотном контроле параметров, разряд с высокоэмиссионным электродом представляет собой электрический элемент с особой вольт-амперной характеристикой, способной превратить саму систему в генератор или широкополосный усилитель. 

«Мы пытаемся не избавиться от этих эффектов, а использовать их, — пояснил заведующий кафедрой физики плазмы Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ Юрий Гаспарян. — В предлагаемой нами системе высокочастотные колебания формируются за счет самой плазмы и плазменно-поверхностного взаимодействия внутри камеры двигателя без внешних генераторов, фидерных линий и согласующих устройств».

Ноу-хау с тонкой пленкой

Секрет технологии кроется в тончайшем слое на поверхности электрода. Ученые используют металлы (например, алюминий), из которых формируется оксидная пленка толщиной около 50 нанометров. 

«Эта пленка в совокупности с плазмой работает как широкополосный усилитель, — поясняет старший научный сотрудник кафедры физики плазмы НИЯУ МИФИ Иван Сорокин. — В ней возникает электрическое поле, которое позволяет электронам из металла туннелировать. Часть электронов оседает на поверхности для перезарядки, а большая часть уходит в вакуум». 

Коэффициент вторичной эмиссии в такой системе возрастает в десятки и сотни раз. Именно этот микроскопический слой, тоньше человеческого волоса в тысячи раз, определяет свойства мощного разряда, раскачивая колебания до гигагерцового диапазона или с амплитудами до сотен киловольт.

Старший научный сотрудник кафедры физики плазмы НИЯУ МИФИ Иван Сорокин

Пресс-служба МИФИ

Без геликоновых антенн

Первое и самое очевидное применение разработки — плазменные ракетные двигатели. Самые энергоэффективные современные плазменные двигатели** требуют внешних систем накачки высокочастотной мощности — геликонных антенн***. Отсутствие такой антенны в предлагаемом концепте кардинально упрощает и облегчает конструкцию, позволяет использовать водоохлаждаемые металлические стенки разрядной камеры и кратно увеличивать мощность двигателя.

«При использовании в космосе очень важно, что у конструкции резко сокращаются габариты и вес, — отмечает Иван Сорокин. — Количество устройств уменьшается, и можно использовать исключительно простые бортовые схемы постоянного тока». 

Одно из главных преимуществ нового типа двигателя при возможных межпланетных перелетах — широкий спектр рабочих веществ, которые можно использовать в двигателе для «производства» плазмы. Двигатель способен эффективно работать на водороде с примесями кислорода и, что самое важное, на парах воды. «Для космоса вода идеальна: она компактна, не требует тяжелых газовых баллонов или сложных систем хранения, как водород, — говорит Юрий Гаспарян. — Если мы летим на планеты, где есть вода, то сможем заправляться на месте». 

К настоящему времени в МИФИ собран макет установки мощностью до 10 киловатт. Сейчас физики подбирают оптимальные режимы и исследуют работу на различных газах.

Актуальность проблемы, которую решают в МИФИ, подтверждается запросами из промышленности. Недавно к физикам обратились коллеги с производства. В их мощных магнетронах на алюминиевых электродах самопроизвольно возникали высокочастотные колебания, которые буквально сжигали дорогостоящую электронику. 

«До сих пор в промышленности нет понимания теории этого процесса, — резюмирует Иван Сорокин. Явление слабо изучено, поэтому для нас как физиков открывается огромный простор для творчества. Мы превращаем то, что ломало оборудование, в инструменты для создания тяги и сверхмощных импульсов».

** Плазменные двигатели представляют собой разновидность ракетных двигателей, основаны на получении тяги за счет рабочего вещества, которое находится в состоянии плазмы.

*** Геликон — низкочастотная электромагнитная волна, которая возникает в некомпенсированной плазме, находящейся во внешнем постоянном магнитном поле. Геликонная антенна — антенна, излучающая геликоновую волну.